Неорганические наноматериалы (стр. 3 )

Под рекомендациями подразумевается описание результатов лабораторных экспериментов и расплывчатое изложение предполагаемой технологии.

Нанотехнология опирается на нанонауку, но отличается от нее своими целями, которые носят практический характер.1-5 Нанотехнология в широком смысле термина включает:

– методы и средства получения наноматериалов (в том числе синтез «снизу» и процессы самосборки атомов, молекул и наночастиц в наноструктуры);

– методы и средства производства приборов и устройств из функциональных наноматериалов (в том числе создание НЭМС, биосенсоров и биороботов, молекулярная электроника);

– методы и средства производства приборов и устройств, основанных на квантоворазмерных эффектах;

– методы и средства позиционной сборки (использование зондовых методов, в перспективе – создание роботов-ассемблеров и роботов-дизассемблеров);

– в дальней перспективе – создание и использование микро - и нанороботов-репликаторов (в англоязычной литературе называемых часто наноботами).

Объектами нанотехнологии, как и нанонауки, являются материалы и устройства с частицами, хотя бы один из размеров которых не превышает условной границы в 100 нм. При сложной геометрической форме и строении частиц к наноматериалам относят те из них, которые содержат отдельные структурные элементы наноразмера. Сюда же входят изделия и приборы из таких материалов.

В нанотехнологии используют наноманипуляторы, особые приемы нанолитографии, своеобразные процессы в нанореакторах. При этом в качестве основного реализуется технологический принцип «снизу вверх», то есть создание как можно больших по размеру деталей и устройств из как можно меньших по размеру первичных частиц.

Нанотехнология берет начало с момента появления возможности манипулировать отдельными атомами. Когда сотрудник компании IBM , перемещаяя механически с помощью зонда микроскопа атомы ксенона на охлаждаемой до низких температур подложке, в ноябре 1989 г. составил из них аббревиатуру названия компании (рис. 1), стало понятным, насколько могут быть расширены границы возможностей технологии.

Рис. 1.

Сборка из малых первичных частиц являет собой полную противоположность принципу «сверху вниз», созданию как можно меньших по размеру деталей и устройств из массивных тел (где используют резку, точение, фрезерование, отливку, фотолитографию, химическое, ионно-плазменное и ионное травление и др.). В технологии микроэлектронных приборов уже в течение нескольких десятилетий используются процессы, основанные на том и на другом принципе (примером является изготовление элементов микросхем путем напыления и травления тонких пленок). Поэтому задачей нанотехнологии является развитие и более широкое применение принципа «снизу вверх», применение его к наночастицам, молекулам и атомам.

Госкорпорация Роснанотех приняла в качестве рабочего такое определение нанотехнологии: совокупность приёмов и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Исследования развития наукоемких отраслей, проведенные в Институте системных и инновационных исследований Фраунгофера (ФРГ), показали, что научные исследования, технологические разработки и собственно производство имеют разделенные во времени пики интенсивности (рис. 2). Оценка производилась по трем показателям: число научных публикаций по конкретной теме, число выданных патентов по той же теме; объем проданных товаров.

Рис. 2.

В нанотехнологии выделяется несколько направлений. Наноматериаловедение – разработка и создание разнообразных наноматериалов, в частности нанокомпозитов на полимерной и керамической основе. Сегодня это наиболее развитое направление и в классификации направлений нанотехнологии, предложенной *, занимает первое место.

При нанометровых размерах компонентов материалов действуют размерные эффекты. Ннаноматериалы обладают лучшими по сравнению с традиционными материалами, а иногда и рекордными эксплуатационными свойствами. Наноматериалы, заполняющие нишу между атомами и молекулами и макроматериалами, интересны и важны тем, что позволяют целенаправленно регулировать многие свойства и параметры, включая те, что считаются фундаментальными.

В системах, содержащих наночастицы, возможно коллективное взаимодействие, образование упорядоченных ансамблей.

Наноматериалы отличаются от находящихся в термодинамическом равновесии супрамолекулярных веществ тем, что обычно являются неравновесными.

Наноэлектроника по * – «область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования указанных устройств и приборов».

В промышленной электронике в течение 45 лет действует эмпирический закон Мура, согласно которому плотность компонентов в электронных схемах удваивается каждые два года при сохранении себестоимости этой площади. В начале XXI в. в мире ежегодно производилось 1019–1020 транзисторов. При этом характерный размер элементов микросхем стал ниже 100 нм (рис. 3), а электроника перешла в область наноразмеров.

Рис. 3.

Иногда выделяется молекулярная электроника (молетроника) – , создание наноэмиттеров электронов, нанодиодов, нанотранзисторов, логических элементов и элементов памяти компьютеров, солнечных батарей, в будущем – электронных схем и даже целиком нанокомпьютера) из отдельных молекул или сочетаний молекул.

Нанотехнология совершенно изменила потенциальную роль химии, открыв возможности химической сборки устройств и приборов.

Нанофотоника по * – «область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами».

Нанобиотехнология – «целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств».

К этим направлениям примыкает наномедицина – практическое применение нанотехнологий в медицинских целях: создание и использование наноматериалов и НЭМС медицинского назначения для диагностики болезней, уничтожения бактерий и вирусов непосредственно в организме, локального воздействия на больные и поврежденные органы, их лечения и восстановления, для доставки лекарств точно к определенным органам живого организма; создание наноразмерных внутриклеточных датчиков (биосенсоров).

Иногда выделяют молекулярную нанотехнологию – создание и использование устройств и приборов (например, сенсоров, актюаторов, источников тока) из отдельных молекул или сочетаний отдельных молекул. Важнейшие разделы молекулярной нанотехнологии – создание НЭМС (по типу интегральных электронных схем, но с гораздо большими функциональными возможностями) и

Наконец, можно говорить о развитой нанотехнологии – пока еще отсутствующем разделе, который ставит целью создание и использование самовоспроизводящихся систем из отдельных атомов и молекул путем позиционной сборки. По своему действию эти системы должны копировать белковые организмы, но иметь в основе неорганические вещества, что позволит этой «искусственной жизни» развиваться вне узких границ температуры, давления и состава среды, которые необходимы для белковых организмов.

Почти половина из десяти важнейших достижение материаловедения за последние 50 лет связана с нанотехнологией. Промышленное использование наноматериалов началось гораздо раньше, когда такого названия не существовало.

Развитие нанотехнологии протекает поэтапно. Первый этап связан с применением пассивных наноматериалов и наноструктур – покрытий, наночастиц, наноструктурированных материалов (нанокомпозиты, металлы, керамики). Он берет начало в конце ХХ в. На втором этапе начинается применение активных наноструктур и приборов – транзисторов, интегральных схем, умножителей, актюаторов и др. Электроника вступила в этот этап примерно в 2005 г. Третий этап предполагает внедрение нового поколения наносистем и приборов, с трехмерной (3D) структурой. Его начало можно ожидать в ближайшие годы. Наконец, к четвертому этапу, предполагающему применение молекулярных наносистем, нанотехнология перейдет через 10–15 лет.

1.5.  Построение книги

Книга построена по классической схеме для материаловедческих курсов: «строение – форма – свойства – получение – применение материалов», но имеет определенные отличия. Эти отличия определяются намерением автора не только связать изменение свойств материалов с размером и формой частиц при переходе к нанометровым масштабам, но и попытаться объяснить происхождение этих изменений. Для этого необходимо опираться на химию и физику твердого тела, а поскольку эти дисциплины не входят в учебные планы подготовки специалистов в Институте материалов современной энергетики и нанотехнологии РХТУ им. , возникла необходимость краткого изложения некоторых положений науки о твердом теле. Отсутствие дисциплин по материаловедению обусловило включение в книгу специального раздела, посвященного общим свойствам материалов. Наконец, оказалось затруднительным описывать методы получения наноматериалов, не обращаясь к методам получения обычных материалов.

Определенное внимание уделено форме частиц (нуль-, одно - и двумерные) и наноматериалов (изометричные, нитевидные и плоские) и описанию отличий в методах получения наноматериалов различной формы. В отдельные формы выделены наноструктурированные массивные (трехмерные) и пористые наноматериалы, получение и применение которых имеет свои особенности. Описаны наноструктурированные и нанонаполненные нанокомпозиты. Значительное внимание уделено размерным эффектам и их влиянию на свойства наноматериалов.